Повышение эффективности бурения глубоких разведочных скважин снарядами со съёмными керноприёмниками на основе применения модернизированных алмазных коронок

Актуальность работы. Дальнейшее развитие материально-технической базы страны обуславливает увеличение потребности в минеральном сырье с минимальными затратами на его разведку. Это ведёт, прежде всего, к необходимости выявления промышленных запасов полезных ископаемых на глубоких горизонтах используемых месторождений, так, как показывает практика, значительная часть запасов промышленных руд, не выявленных к моменту передачи месторождений к освоению, оказывается сосредоточенной в их нижних горизонтах и может превышать разведанные запасы в несколько раз. Такое положение обусловило рост объёмов глубокого геологоразведочного бурения в общем объёме механического колонкового бурения.

На современном уровне геологоразведочного бурения, под глубокими понимаются скважины свыше 1500 м. и достигающие глубин 3000−3500 м.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт наиболее эффективными техническими средствами для бурения глубоких геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые остаются снаряды со съемными керноприемниками (ССК и КССК), которые позволяют обеспечить возможность извлечения керна на поверхность без подъема бурильной колонны, что существенно сокращает затраты времени и энергозатраты на проведение спуско-подъемных операций (СПО) в процессе проходки скважин. Однако существенным фактором, сдерживающим рост объемов глубокого бурения комплексами снарядов со съемными керноприемниками является не достаточно высокая стойкость стандартных алмазных коронок их повышенный износ при спуско-подъемных операциях и сравнительно низкая механическая скорость бурения ими на глубоких горизонтах, вследствие роста прочностных свойств магматических и метаморфических пород и возрастания гидростатического давления, увеличивающего энергоемкость процесса бурения и затрудняющего очистку забоя от продуктов разрушения. Таким образом, наряду с известными преимуществами, комплексы снарядов со съемными керноприемниками имеют большие нереализованные потенциальные резервы, к которым можно отнести повышение эффективности их использования за счет снижения затрат времени на спуско-подъемные операции, увелечение механической скорости и предельных глубин бурения, что требует разработки и применения принципиально новых конструкций породоразрушающего инструмента (коронок и расширителей). В этой связи актуальность поставленных в данной работе задач вполне очевидна.

Основой диссертационной работы являются результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором за период 2005;2011г.г. в Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе в соответствии с Государственной науно-технической программой «Наука России» Министерства науки и технической политики РФ, в ОАО «Тульское НИГП» и Норильской ГРЭ Норильского горнометаллургического комбината.

Цель работы — повышение технико-экономической и геологической эффективности бурения глубоких геологоразведочных скважин.

Идея работысовершенствование процесса алмазного бурения глубоких геолого-разведочных скважин на основе создания и применения модернизированного алмазного породоразрушающего инструмента с повышенным ресурсом для снарядов со съемными керноприемниками.

Задачи исследований.

1. Анализ отечественного и зарубежного опыта бурения глубоких геологоразведочных скважин.

2. Оценка факторов, влияющих на износ алмазных коронок при спуско-подъёмных операциях (СПО).

3. Исследование и моделирование износа алмазных буровых коронок.

4. Исследование закономерностей работы алмазных коронок и их модернизация по усилению защиты матрицы от интенсивного износа при СПО.

5. Модернизация алмазных коронок для бурения мягких неустойчивых пород.

6. Разработка математической модели скоростной углубки скважины.

7.Установление рационального режима алмазного бурения модернизированными алмазными коронками для КССК-76 и оценка технико-экономической эффективности бурения с их применением.

Методика исследований.

Для решения поставленных задач применялся комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение опубликованных работ по выбранной теме, а также теоретические, стендовые и эксперименталь-но-производственнные исследования с применением современных методов прикладной математики. Опытные данные обрабатывались методами математической статистики с применением ПЭВМ. Научная новизна исследований.

1. Установлены экспериментальные зависимости ресурса алмазной коронки, расхода алмазов и углубки за один оборот коронки от глубины скважины.

2.Предложен критерий оценки износа алмазных коронок при спуско-подъёмных операциях Кй — коэффициент износа алмазных коронок, который возрастает с увеличением глубины скважины и определён способ сохранения матрицы коронки от повышенного износа при СПО путем выполнения наружного диаметра корпуса коронки по расчетной зависимости и покрытия матрицы защитной пленкой с определенным удельным весом её материала.

3.Определена зависимость диаметра алмазного зерна в матрице коронки от осевого усилия на него коэффициента Пуассона, модуля продольной упругости горной породы и напряжения горной породы при растяжении. 4. Установлена зависимость работы трения за один оборот алмазной коронки от осевой нагрузки, текущего радиуса коронки, диаметра алмазного зерна, количества алмазов в одном ряду и на торце коронки коэффициента трения.

5. Аналитически определено условие выноса на поверхность промывочной жидкостью разрушенных частиц защитной плёнки, при котором удельный вес материала плёнки определяется в зависимости от величины площади забоя скважины, механической скорости бурения, удельного веса материала пленки и промывочной жидкости, величины площади кольцевого сечения скважины, коэффициента, учитывающего винтообразное движение частиц, диаметра частицы разрушенной породы, динамического напряжения сдвига и коэффициента структурной вязкости.

Практическая ценность диссертации.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

1. Разработана расчетная методика оценки работы трения вдоль радиуса алмазной коронки.

2. Предложена эффективная конструкция алмазной коронки, способствующая сохранности алмазного вооружения матрицы при спуско-подъемных операциях при бурении.

3. Предложена рациональная конструкция промывочной системы алмазных буровых коронок для бурения в «стреляющих» горных породах: аргиллитах, роговиках, базальтах и др., способствующая сохранности керна и повышению производительности бурения.

4. Разработаны рекомендации по технологии бурения глубоких скважин комплексами снарядов со съемными керноприемниками.

5. Разработаны критерии оптимальной продолжительности рейса при бурении снарядами со съемными керноприемниками.

6. Разработана классификация факторов, влияющих на износ алмазных коронок при спуско-подъемных операциях при бурении.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций Защищаемые научные положения и практические рекомендации обоснованы необходимым объемом теоретических и экспериментальных исследований, а также проверкой положений, выводов и рекомендаций в условиях максимально приближенных к производственным, и достаточной сходимостью опытных данных с результатами ранее проведенных теоретических исследований. Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных международных научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов РГТРУ имени Серго Орджоникидзе «Новые идеи в науках о земле» Публикации Основные положения диссертационной работы изложены в 12 опубликованных работах, поданы две заявки на предполагаемые изобретения и полезные модели, которые находятся на рассмотрении в Федеральную службу по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, по одной из которых получен патент.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 67 наименований. Диссертация содержит 17.

5.5,Основные выводы и рекомендации.

1. Произведена классификация факторов, влияющих на износ алмазных коронок при спуско-подъёмных операциях в процессе бурения глубоких скважин КССК-76 по систематизационным признакам и с.

— 155применением метода априорного ранжирования факторов, позволившая системно подойти к оценке факторов и выделить из них основные, которые позволили определить направления исследований по модернизации алмазного породоразрушающего инструмента с целью повышения его работоспособности и качества бурения.

2. Расчётами установлено, что в условиях глубокой скважины подрезные алмазы при спуско-подъёмных операциях и соответственно бурении проходят сопоставимый путь, что обуславливает их повышенный износ.

3. Разработана математическая модель износа рабочего торца алмазной коронки, с применением которой проведено исследование динамики её износа и установлено, что при уменьшении количества контактирующих с забоем алмазов в 2 и 4 раза по сравнению с их общим количеством удельные нагрузки на алмазные зёрна возрастают соответственно, а наибольшее значение работы трения при бурении ступенчатыми коронками наблюдается на периферии ступенчатой части матрицы при различных числах алмазов, находящихся в контакте с забоем, что вызывает повышенный износ коронки.

4. На основании применения гипотезы контуров установлена взаимосвязь диаметра алмазного зерна в коронке с осевой нагрузкой на него, упругими (коэффициент Пуассона, величина упругого прогиба, модуль упругости) свойствами породы и предельным напряжением горной породы на растяжение, позволяющая производить выбор алмазных коронок для конкретных геолого-технических условий так, чтобы крупность торцевых алмазов их соответствовало физико-механическим свойствам буримых пород.

5.Проведена оценка температурного режима алмазной коронки при бурении и установлено, что максимальная температура на глубине 20 003 000 м не выходит за пределы, угрожающие проведению технологических операций.

6. Применение разработанных коронок, характеризующихся наличием защитных элементов у матрицы коронки и оптимальным диаметром её корпуса, позволяет существенно уменьшить износ алмазосодержащей матрицы при СПО.

7. Создание и применение алмазных коронок с промывкой, выходящей под торец и рациональным распределением её потока в коронке позволяет обеспечить сохранность ненарушенной структуры керна и его выход при бурении мягких и слабых породных комплексов.

8. На основании проведённых исследований разработаны и внедрены технические решения и технико-технологические рекомендации по выбору рациональных конструкции и технологии бурения глубоких разведочных скважин алмазными модернизированными коронками с повышенным ресурсом, обеспечивающие высокие производительность, качество и экологическую безопасность разведочного бурения.

9. Установлена зависимость, определяющая изменение механической скорости бурения во времени от режимных параметров, физико-механических свойств буримых горных пород с учётом напряжённого состояния забоя от взаимодействия с породоразрущающими элементами алмазных коронок, которая позволяет установить рекомендации по выбору рациональных конструктивных параметров алмазного породоразрушаю-щего инструмента, применительно к конкретным геолого-техническим условиям производства геологоразведочных работ.

10. Подтверждена связь между прочностью на одноосное сжатие доломита, ангидрита, базальта, мергеля и роговика с глубиной их залегания.

11. Разработанные рекомендации по совершенствованию технологии бурения разведочных скважин с применением модернизированных алмазных коронок внедрены в производство при бурении разведочных скважин в Норильской ГРЭ с получением значительного эффекта и сохранением экологической безопасности.

— 157.

Для совершенствования технологии бурения глубоких разведочных скважин необходимо:

— дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных методов исследований механизма разрушения горных пород единичным алмазным резцом и инструментом в комплекте;

— разработка компьютерных технологий проектирования и выбора породоразрушающего инструмента и режимов бурения с его применением.